金属材料基础知识
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1、金属材料的机械性能的含义是什么？金属及合金的机械性能是指材料的力学性能，即受外力作用时所反映出来的性能。
它是衡量金属材料的重要指标。
2、金属材料的主要机械性能指标有哪些？金属材料的主要机械性能有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。
3、什么是弹性和韧性？金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后恢复原来的形状的性能，叫弹性；这种随着外力而消失得变形叫弹性变形，其大小与外力成正比。
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能，叫塑性。
外力消失时留下的这部分不可恢复得变形叫塑性变形，其大小与外力不成正比。
4、什么叫应力？什么叫应变？材料受到拉伸时单位截面上的拉力叫应力，用σ表示。
材料受到拉伸时单位长度上的伸长量叫应变，用ε表示。
5、什么叫弹性极限？材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力叫做弹性极限，用σb表示。
6、什么叫屈服极限？金属材料开始出现明显的塑性变形的应力叫做屈服极限，用示。
有些材料屈服极限很难测定，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限，用σ0.2表示。
7、什么叫刚度？刚度用什么来衡量？金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫刚度。
在弹性范围内，应力与应变的比值叫做弹性模数，弹性模数越大，刚度越大。
8、什么叫强度？强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
9、表示材料强度的指标有哪些？表示材料强度的指标有：1)、屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。
σs=P s/F0 (Pa)P s—试样产生屈服现象时所承受的最大外力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
2）、抗拉强度：金属材料在拉断前所承受的最大应力。
以σb表示。
σb=P b/F0 (Pa) P b—试样在断裂前的最大拉力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
10、什么叫硬度？金属材料抵抗更硬的物体压入其内部的能力叫做硬度。
11、衡量材料的硬度的指标有哪些？衡量硬度的指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度(HV)。
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金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料）1.意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
2.种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
3.性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为机械性能）。
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金属材料基础知识1. 引言金属材料是人类使用最广泛的材料之一，应用于各种领域，如建筑、航空、汽车、电子等。
本文将介绍金属材料的基础知识，包括金属的特性、组织结构、合金等方面。
2. 金属的特性金属具有许多独特的特性，如良好的导热性、导电性、延展性和塑性。
这些特性使得金属成为制造各种器件和构件的理想选择。
此外，金属还具有良好的强度和硬度，能够承受较大的载荷。
3. 金属的组织结构金属的组织结构是由金属原子的排列方式和晶体结构决定的。
常见的金属组织结构包括等轴晶粒、柱状晶粒和层状晶粒。
这些结构对金属的性能有着重要影响，不同的结构具有不同的力学性能和导电性能。
4. 金属的力学性能金属的力学性能包括强度、硬度、韧性和延展性等。
强度是指金属抵抗外力破坏的能力，硬度是指金属表面抵抗变形和划伤的能力，韧性是指金属在断裂前能吸收外部能量的能力，而延展性是指金属的拉伸或扭曲变形能力。
5. 金属的热处理金属的热处理是通过控制金属的加热和冷却过程来改变金属的性能。
常见的热处理方法包括退火、淬火和回火。
退火可以提高金属的韧性和延展性，淬火可以提高金属的硬度和强度，回火可以降低金属的脆性。
6. 金属的腐蚀与保护金属容易遭受腐蚀，导致金属的性能下降甚至损坏。
为了保护金属材料，可以采取物理防护和化学防护措施。
物理防护包括涂层和电镀等，化学防护包括阳极保护和缓蚀剂等。
7. 合金的应用合金是由两种或更多种金属元素混合而成的材料。
通过改变合金的成分和比例，可以获得不同的性能。
合金常用于耐高温、耐磨损等特殊环境的应用，如航空发动机、汽车发动机等。
8. 小结金属材料是具有特殊特性和广泛应用的材料。
了解金属材料的基础知识对于正确选择和使用金属材料至关重要。
本文介绍了金属的特性、组织结构、力学性能、热处理、腐蚀与保护以及合金的应用等方面的知识，希望对读者有所帮助。
通过深入学习和研究金属材料，我们可以更好地利用金属的优势，推动技术和社会的发展。
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原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经 规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种
压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。 如：50HRC 其中A、B、C为不同的标尺 3、优缺点
（1）试验简单、方便、迅速
2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表 示。 如：120HBS 500HBW 3、优缺点
（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）
（2）可测的硬度值不高
（3）不测试成品与薄件
（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.
洛氏硬度
局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力） 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。
硬度试验方法: 压入法
布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV）
• 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。
布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压 入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材 料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
σ0.2= F0.2/A0
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和 选材的主要依据。
σb= Fb/A0
式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。
强度的意义
• 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一 般钢材的屈服强度在200～1000MPa 之间。
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合金两类基本相：固溶体和金属化合物。
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固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化 合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持 另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶 体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
化合物：合金组元间发生化合作用，生成一 种具有金属性能的新的晶体固态结构。
硬度试验的方法很多，有压入硬度试 验法（如布氏硬度、洛氏硬度等）； 回跳硬度试验法(如肖氏硬度)等。
布氏硬度 HB
洛氏硬度HR 测量残余压入深度h 定义：每0.002mm相当于洛氏1度
洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB－－淬火钢球，中等载荷，测轻金属、未淬火钢 ②HRC－－金刚石圆锥，大载荷，测较硬、淬硬钢制品 ③HRA－－金钢石圆锥，小载荷，测硬、薄试件
在物质内部，凡是原子呈无序堆积状况的，称 为非晶体，例如普通玻璃、松香、树脂等， 都属于非晶体。相反，凡是原子作有序、有 规则排列的称为晶体。绝大多数金属和合金 都属于金属晶体。
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2、晶体结构
为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可 以将原子简化成一个点，用假想的线将这些 点连结起来，就构成了有明显规律性的空间 格子。这种表示原子在晶体中排列规律的空 间格架，叫做晶格。晶格是由许多形状、大 小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能 够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为 晶胞。
b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速 工具钢。
c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合 金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。
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二、金属材料的性能 1、金属的物理性能 2、金属的化学性能 3、金属的力学性能 4、金属的工艺性能
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奥氏体的显微组织
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,它是渗碳体 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 它是渗碳体 和铁素体片层相间,交替排列形成的混合物 和铁素体片层相间 交替排列形成的混合物. 交替排列形成的混合物 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为 珠光体的含碳量为0.77%. 在缓慢冷却条件下 珠光体的含碳量为 由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的 混合物,所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 混合物 所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 性能.大体上是两者性能的平均值 大体上是两者性能的平均值,故珠光体的强度 性能 大体上是两者性能的平均值 故珠光体的强度 较高,硬度适中 具有一定的塑性.力学性能介于铁 硬度适中,具有一定的塑性 较高 硬度适中 具有一定的塑性 力学性能介于铁 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中， 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性 和韧性较好（ 和韧性较好（σb=770MPa、180HBS 、 、 δ=20%~35%、ak=24~32J）。 、 ）。
晶体结构的概念
晶体的内部原子是按一定几个规律排列的， 晶体的内部原子是按一定几个规律排列的，为 了便于理解，把原子看成是一个小球， 了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 为了形象的表示晶体中原子排列的规律， 为了形象的表示晶体中原子排列的规律，可以 将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接 将原子简化成一个点， 起来，构成有明显规律性的空间格架。 起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 晶格是由许多形状、大小、 晶格是由许多形状、大小、相同的最小几何单元 重复堆积而成的。 ，重复堆积而成的。能够完整的反映晶鸽特征的 最小几何单元称为晶胞。 最小几何单元称为晶胞。
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金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。
电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。
(三)焊接性能
• 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。
适用范围
HRC
120°金刚石圆 锥
150
HRB Φ1.588mm钢球
100
HRA
120°金刚石圆 锥
60
一般淬火钢等硬度较大材料
退火钢和有色金属等软材料
硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢
3．维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下：
1．拉伸试样
2．拉伸曲线
• 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。
拉伸曲线的形状与材料有关， 由图可见，在载荷小的oa阶 段，试样在载荷F的作用下 均匀伸长，伸长量与载荷的 增加成正比。如果此时卸除 载荷，试样立即回复原状， 即试样产生的变形为弹性变 形。当载荷超过b点以后， 试样会进一步产生变形，此 时若卸除载荷，试样的弹性 变形消失，而另一部分变形 则保留下来，这种不能恢复 的变形称为塑性变形。
(四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。
金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很பைடு நூலகம்易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。
第2章金属材料的基础知识
相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相 结构，分为固溶体和金属化合物。
组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。
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金属材料在不同的使用场合下，所要求的力 学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各 不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同 状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性 能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的 不同。
2.1 金属材料的基础知识
按照物质原子在三维空间排列方式的不同， 材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。
3）面缺陷
面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸 很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类 缺陷主要是指晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐， 偏离其平衡位置，产生晶格畸变。
面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用， 强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越 细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。
（2）金属的实际晶体结构
在理想状态下，金属的晶体结构是原子排 列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称 为单晶体。
单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例 如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象 称为各向异性。
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成 的晶体。
晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体 构成的，这单晶体称为晶粒。
液体
2.1.1 纯金属的晶体结构与结晶
纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。 汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、 纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。
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金属材料基础知识金属材料基础知识金属材料分类（一）有色金属：除铁、铬、锰之外的其他金属属有色金属，包括铜及铜合金、铝及铝合金、其他合金（镁合金、钛合金、镍合金、铅合金、锌合金、硬质合金、锡合金等）。
（二）黑色金属：铁、铬、锰属此类，主要包括铸铁与钢两大类。
一般含碳量在0.0218C%以下的Fe-C合金称为纯铁；含碳量在0.0218C%-2.11C%之间的Fe-C合金称为钢；含碳量在2.11C%-4.33C%之间的Fe-C合金称为铸铁。
二、钢的分类（一）按用途分：包括建筑用钢、结构用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等）、工具钢（碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等）、特殊用钢（不锈钢、耐热钢、抗磨钢、磁钢等）。
（二）按化学成分分：1、碳素钢（低碳钢：碳含量≤0.25%；中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%/0.45%之间；高碳钢：碳含量>0.60%/0.45%）；2、合金钢（微合金化钢：合金元素含量在0.1%/B-0.001%；低合金钢：合金元素含量≤5%；中合金钢：合金元素含量在5-10%范围内；高合金钢：合金元素含量>10%）。
（此划分无严格的规定）（三）按质量分：1、普通质量钢（P≤0.040%，S≤0.050%）；2、质量钢（P≤0.035%，S≤0.035%）；3、优质钢（P≤0.025%，S≤0.025%）；4、高级优质钢（P≤0.025%，S≤0.015%）。
三、钢的编号（一）碳钢的编号1、碳素结构钢以钢材直径（或厚度）不大于16mm钢的屈服点（σs）数值划分，牌号由屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。
例：Q235-A.F，表示屈服点数值为235N/mm2的A级沸腾钢。
（1）、符号、代号的意义Q：钢屈服点；A、B、C、D：质量等级。
A、B、C为普通级，硫、磷含量依次降低；D为优质级；F：沸腾钢；b:半镇静钢；Z：镇静钢；TZ：特殊镇静钢。
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一、金属材料分类金属材料——指纯金属或合金，经过熔炼和各种加工后而制成的材料。
按性质特点，通常分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。
黑色金属材料的分类（一）钢的分类钢是指含碳量低于2.11％的铁碳合金1.按照化学成分分类(1)碳素钢——钢中除铁外，主要只含有碳、硅、锰、硫、磷等几种元素。
按含碳量分类低碳钢——含碳量低于0.25％的钢。
中碳钢——含碳量在0.25％～0.6％的钢。
高碳钢——含碳量超过0.6％的钢。
(2)合金钢——是指在碳钢的基础上，为改变钢的性能，在冶炼过程时特意加入一种或多种合金元素而炼成的钢。
根据钢中合金元素总含量的多少分为2.按冶炼质量分类（1）普通钢——钢中含硫量不超过0.055％～0.065％；含磷量不超过0.045％～0.085％。
（2）优质钢——钢中含硫量不超过0.030％～0.045％；含磷量不超过0.035％～0.040％。
3.按照用途分类(1)结构钢——用以制造各种工程结构件（如建筑、桥梁、锅炉、船舶、车辆构件）和机械零件（如齿轮、轴类零件）的钢。
用于制造机械零件的钢，通常称为机械制造用结构钢。
主要钢种有优质碳素结构钢、合金结构钢以及各种专门用途的结构钢（如弹簧钢、轴承钢等）。
这类钢大多要经过热处理后才能使用。
(2)工具钢——这是用以制造各种工具的钢。
按其化学成分，通常分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。
按其用途，又可分为刃具钢（或称刀具钢）、模具钢和量具钢。
(3) 特殊用途钢——是指某些具有特殊物理、化学或机械性能的钢。
如不锈钢、耐碳钢、耐热钢、磁钢等。
4.按照炼钢方法分类转炉钢——用转炉炼出来的钢。
它按炉衬材料分为酸性转炉钢和碱性转炉钢；按进风方法又分为底吹转炉钢、侧吹转炉钢和纯氧顶吹转炉钢。
平炉钢——用平炉炼出来的钢。
它按炉衬材料又分为酸性平炉钢和碱性平炉钢。
电炉钢——用电炉炼出来的钢。
它按炉衬材料又分为酸性电炉钢和碱性电炉钢。
5.按照脱氧程度分类镇静钢——脱氧完全的钢。
金属材料的基础知识
抗拉强度: 在拉断前试样所能承受的最大应力 为该试样的抗拉强度，用符号σb 表示，计算公式为。
σb=
Fb So
二、 塑性
➢概念
塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久性变形而不断裂的能 力。
➢ 衡量指标
伸长率：试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比 称为伸长率，用符号δ表示。计算公式为：
δ= l1 l0 ×100% l0
δ ψ
性能指标
名称
抗拉强度 屈服点 规定残余伸长应力
伸长率 断面收缩率
硬度 冲击韧性
HBS(HBW) HRC HRB HRA 标尺洛氏硬度值 A标尺洛氏硬度值 维氏硬度值
冲击韧度
疲劳强度 σ-1
疲劳极限
单位 MPa MPa MPa
J/cm2 MPa
含义
试样拉断前所能承受的最大应力 拉伸过程中，力不增加（保持恒定）试 样仍能继续伸长时的应力 规定残余伸长率达0.2%时的应力
部永久性积累损伤经一定循环次数后产生裂纹或突发完全断 裂的过程称为金属疲劳。
五、疲劳强度
➢疲劳破坏可分为微观裂纹、宏 观裂纹和瞬时断裂三 个过程。
五、疲劳强度
➢疲劳曲线 ：疲劳曲线是指交变应力σ与循 环次数N的关系曲线，如下图所示。
常用金属材料的力学性能指标及其含义
力学性能
符号
强度 塑性
σb σs σ0.2
0.1
e 0.2
一、强度—拉伸曲线
1.弹性变形阶段 2.屈服阶段 3.强化阶段 4.缩颈阶段
低碳钢的应力-应变曲线
一、强度—衡量指标
屈服点： 用符号σs表示，计算公式为
σs=
Fs So
式中：Fb——试样断裂前所承受的最大拉力， 单位为N；
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1．影响珠光体转变为奥氏体的因素: (1)温度的影响随温度升高，奥氏体形核率I及线长大速率u大大增加，从而促进了珠光体向奥氏体的转变。
(2)原始组织的影响珠光体有片状和粒状两种形态。
当钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体与渗碳体片层愈薄(片间距愈小)，它们的相界面愈多，则奥氏体的形核位置增多，形核率愈大；与此同时奥氏体中的碳浓度梯度愈大，碳扩散速率愈快，奥氏体线长大速率愈大。
因此细珠光体的奥氏体形成速率大于粗珠光体(见图4-13)，得到的奥氏体晶粒细小、成分均匀。
因此，对中、低碳钢，希望原始组织为细片状珠光体+细小块状铁素体。
若珠光体中的渗碳体为球状，因铁素体与渗碳体的相界面较片状减少，故将减慢奥氏体形成速率。
(3)合金元素合金元素的加入并不改变奥氏体的形成机制，但会影响奥氏体的形成速率。
主要表现在以下几个方面：1)合金元素一般将改变珠光体向奥氏体转变的临界点。
Ni、Mn、Cu等元素降低临界点，增加了过热度，使奥氏体形成速率加快；而Si、Al、Mo、W等元素则升高临界点，降低奥氏体形成速率。
2)合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速率，因而也影响奥氏体的形成速率。
Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速率，故加快了奥氏体的形成速率。
Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速率影响不大。
而Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速率，故大大降低奥氏体的形成速率。
3)合金钢中奥氏体的均匀化时间要比碳钢长得多，使得奥氏体的形成速率也大大降低。
所以，对不同的钢，形成奥氏体时所需要的保温时间也不一样。
保温时间愈长，溶入奥氏体的合金元素越多，淬透性愈好。
(4)含碳量共析钢奥氏体的形成速率最快。
这是因为对亚共析钢和过共析来说，除了完成珠光体向奥氏体转变之外，还需要完成铁素体或渗碳体转变。
2．晶粒度多晶体内的晶粒大小。
钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向又分成起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三种(1)起始晶粒度指P刚完全转变为A时的A晶粒度细小而均匀越细小越容易长大（2）实际晶粒度钢在某一具体的获得的A的实际晶粒度的大小取决于具体的加热温度和保温时间V一定时T越高t越长越粗（3）本质晶粒度钢在一定条件A晶粒长大的倾向与脱氧方法和化学成分有关3. 过热及校正加热转变终了时所得A晶粒度较细小但如果在转变终了继续升高温度，则A晶粒度继续长大如果仅仅是晶粒长大而未发生使晶界弱化的某些变化，则称为过热使得钢的强度韧性变坏校正办法重新加热到临界温度以上，再次通过加热转变以求得细小的起始A晶粒4.过热组织的校正：1)由于控温不当导致加热温度过高，在已经引起过热的情况下，应该采用较为缓慢的冷却以获得平衡组织，然后再次加热到正常温度即可获得细晶粒A 2)如果过热后仍进行淬火，得到粗大的不平衡组织，则应该采取以下办法a,采用中速加热以获得细小A 晶粒b，先进行一次退火以获得平衡组织，然后再进行加热。
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第一章 合金化原理主要内容 ：碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途1.2 钢的合金化原理：① Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响1.3合金钢的分类概念：⑴合金元素 ：特别添加 到钢中为了保证获得所要求的组织结构、 物理、化学和机 械性能的化学元素。
⑵杂质：冶炼时 由原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入 的化学元素。
⑶碳钢： 含碳量在 0.0218-2.11% 范围内的铁碳合金。
⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。
① 低合金钢： 一般指合金元素总含量小于或等于 5%的钢。
② 中合金钢： 一般指合金元素总含量在 5～10%范围内的钢。
③ 高合金钢： 一般指合金元素总含量超过 10%的钢。
④ 微合金钢： 合金元素（如 V,Nb,Ti,Zr,B ） 含量小于或等于 0.1%，而能显著影响 组织和性能的钢。
1.1 碳钢概论1. 锰（ Mn ）和硅（ Si ）⑴Mn ：W Mn ％＜0.8 ％ ①固溶强化 ②形成高熔点 MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减 少钢的热脆 （高温晶界熔化，脆性↑） ；⑵Si ：W Si ％＜0.5％ ①固溶强化 ②形成 SiO2 脆性夹杂物；⑶Mn 和 Si 是有益杂质 ，但夹杂物 MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降 。
2. 硫（S ）和磷（ P ）⑴S ：在固态铁中的 溶解度极小 ， S 和 Fe 能形成 FeS ，并易于形成 低熔点共晶 。
发生热脆 （ 裂） 。
⑵P ：可固溶于α -铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是 低温韧性 ，称为冷脆。
磷 可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能 。
⑶S 和 P 是有害杂质 ，但可以 改善钢的切削加工性能 。
3．氮（ N ）、氢（ H ）、氧（ O ）⑴N ：在α -铁中可溶解， 含过饱和 N 的钢析出氮化物—机械时效或 应变时效（经 变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变） 。
第一章金属材料的基础知识
在碳等元素氧化到规定范围后，钢液中 大量的氧在冷凝过程中将以FeO和Fe3O4等形 态析出，使钢的塑性差，轧制时易产生裂纹；
因此，炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂 （锰铁、硅铁和铝）除氧。
Si + FeO = SiO2 +Fe Mn + FeO = MnO + Fe
2Al +3 FeO = Al2O3 +3 Fe 达到要求后，把钢液铸成钢锭ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ轧成钢材。
炼钢生铁和铸造生铁都属于铸铁。
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。根 据碳在铸铁中存在的形式不同，铸铁分为 三种。
白口铸铁： 熔融状态的铁液，若快速冷 却Fe3C来不及分解而保留下来，铁的断口呈 白色。白口铁硬而脆、不宜加工一般用来 炼钢。故又称炼钢生铁。Fe-Fe3C状态图中 的亚共晶、共晶、过共晶合金即为此类铸 铁。
只有一种金属元素的物质叫纯金属
由两种或两种以上的金属元素（或 金属与非金属元素）熔合在一起形 成的具有金属特性的物质叫合金。
金属材料就是指金属及合金。
当各个金属原子相互在一起形成固体 时，各金属原子与其价电子脱离变成 正离子，按照一定的几何形式排列， 并在其占据的位置上作高频率的振动, 价电子呈自由电子的形式在各离子间 作高速穿梭运动，它们为整个金属公 有，形成“电子气”，金属固体就是 依靠这些公有化了的自由电子与各正 离子之间的引力结合而成。这种方式 叫“金属键”。
钢中不含有特意加入的金属元素，除铁碳外， 有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素。
合金钢：
在碳素钢的基础上，为改善钢的性能冶炼时 特意加入一种或多种合金元素炼成的钢。
3.按冶炼方法分类： 按炉别分：
转炉钢 转炉为梨形容器，因装料和出钢时需倾转炉体而得名。
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固溶體
組成合金的組元在液態相互溶解，結晶時，以一組元為基 體保持其原有的晶格類型，其它組元的原子均勻地分布在 基體組元的晶格里，形成均勻一致的固體，此合金就稱為 固溶體。
根椐溶質原子在溶濟晶格中所占據的位置不同，可分為間 隙固溶體和置換固溶體。
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杠杆定理
ML = rb Wa ar
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勻晶，共晶，包晶
勻晶相圖
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第三部分
相圖及組織
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相圖的定義
相圖是表示合金系中合金的狀態與溫度，成分間的關系的圖解，是表示合金 系在平衡條件下，在不同溫度，成分下的各相關系的圖解，因此，又稱之為 狀態圖或平衡圖。
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表示方法:壓入硬度測定法(如佈氏硬度、洛氏硬度等);回跳硬度測定法(如肖氏硬 度、里氏硬度)等，而在現場生產中常用的是壓入硬度測定法，即佈氏硬度、洛 氏硬度等。
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硬度測定原理-1
布氏硬度試驗原理示意圖
•布氏硬度 =2F/πD (D-√(D2-d2)) F: 載荷，kgf; D: 球體直徑，mm; d: 壓痕平均直徑, mm;
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亞共晶，過共晶生鐵結晶過程
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第四部分
金屬的熱處理
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熱處理的基本原理
熱處理是將金屬在固態下加熱到預定的溫度，並在該溫度 下保持一段時間，然後以一定的速度冷卻下來的一種熱加 工方法。
屬鍵。 Company Confidential
金屬的晶體結構與結晶
晶體是指原子(或分子)按一定幾何形狀有規律地排列的 固態物質。屬晶體的物質的有食鹽、天然金鋼石、鐵等， 所有的固體金屬和合金都是晶體。
晶體內部原子是有規則秩序地排列的。為了便於分析和 描述金屬晶體中原子的排列情況，示意地將原子看成一 個小球，用假想的線條將各原子的中心連結起來，這樣 就得到一個抽象化了的空間格架(圖B)。這種用於描述原 子在晶體排列形式的空間格架稱為結晶格子，簡稱晶格。
維氏硬度值=1.8544F/d2 F: 載荷，kgf; d:壓痕兩對角線長度
算朮平均值--mm.
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維氏硬度試驗
三種硬度的對雙ຫໍສະໝຸດ 測量方法 壓痕特點測量優點
測量范圍
測量缺點
布氏硬度
壓痕面積大，可以測 壓痕面積大 試組織不均勻材料,數
據穩定准確
HB<450金屬
壓痕面積大，不能檢 驗薄片材料和成品件
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變形量
拉伸曲線
金屬的塑性
金屬材料在斷裂前發生塑性變形的能力稱為塑性。延伸率 (δ)和斷面收縮率(ψ)是衡量金屬材料塑性的指標.
載荷
載荷
斷后伸長率: δ=(L1-L0)/L1*100% 斷面收縮率: ψ=(A0-A1)/A0*100%
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鐵碳合金分類
工業純鐵 含碳量小於0.02%的鐵碳合金。
鐵碳 鋼 合金
生鐵
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含碳量為0.02%—2.11%的鐵碳合金。 根據金相 組織的不同，可分為三種。 共析鋼： 含碳量為0.77%; 亞共析鋼：含碳量在0.02%—0.77%之間； 過共析鋼：含碳量在0.77%—2.11%之間；
B.屈服极限: 材料產生屈服現象時的應力稱為屈服极限或屈 服強度,符號σS。
C.抗拉強度: 材料在拉斷前所能承受的最大應力為抗拉強度 或強度极限，符號σb。
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拉伸曲線
•測量強度最普遍也最簡單的方法是拉伸實驗法。
載荷
載荷
( 拉伸前
( 拉伸后
載荷
載荷
變形量
圖1-4 圖解法確定
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沖擊韌性
以很快的速度作用于零件 上的載荷稱為衝擊載荷﹔ 金屬抵抗衝擊載荷作用而 不被破壞的能力稱為韌性 αk﹔
韌性的主要判斷依據是衝 擊吸收功 Ak，目前工程 技朮上常採用一次擺錘沖 擊彎曲實驗。
沖擊吸收功大小與試驗溫度， 試樣形狀，表面粗糙度， 內部組織等因素影響.
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金屬合金
合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬 元素熔合而成，具有金屬特性的物質。
組成合金最基本的獨立的物質稱為組元。一般說來，組元 是組成合金的元素。如Fe, C.
相是指合金中結構相同，成分和性能均一並以界面相互分 開的組成部分。
根據相不同的結構，合金可分為：固溶體、金屬化合物和 多種晶體的机械混合物。
在具有恆定總變形的零件中，隨著時間的延長而自行減低應力 的現象，稱為應力松弛。彈性變形， 高溫，長期， 晶界擴散 和晶體移動，塑變金屬材料抵抗應力松弛的性能稱為松弛穩定 性，可通過專門的松弛實驗所測得的松弛曲線來評定。
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其它機械特性
屈強比 剛度 泊松比 抗拉模量、抗彎模量、抗剪切模量 撓度
含碳量為2.11%—6.69%的鐵碳合金。 共晶生鐵： 含碳量為4.3%; 亞共晶生鐵：含碳量在2.11%—4.3%之間； 過共晶生鐵：含碳量在4.3%—6.69%之間；
共析鋼和亞共析鋼的結晶
A—奧氏體
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P—珠光體
F—鐵素體
過共析鋼結晶過程 共晶生鐵結晶過程
共晶相圖
包晶相圖
鐵碳相圖
纯铁的熔点
A3线
ACD线—液相线
渗碳体的熔点
碳在奥氏体中的最大溶解度
Acm
共晶线
AECF线—固相线
共析线
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共析点
共晶点
鐵碳合金中常見組織
鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶( F）。塑性 （δ=45-50%）、韌性好，強度、硬度低。
奧氏體：碳溶解在γ —Fe中的間隙固溶體（A）。塑性好。 滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）。硬度很高，
塑性、韌性幾乎為零。 珠光體：是奧氏體發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體
的共析體（P）。 萊氏體：是液態鐵碳合金發生共晶轉變所形成的奧氏
體與滲碳體的共晶體（Ld）。硬度高，塑性差。
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金屬合金的分類
圖表標題
金屬合金
鐵系合金
非鐵系合金
鋼鐵
鑄鐵
低合金鋼 高合金鋼
• 鋼鐵的分類 • 純鐵: <0.0218wt%碳以下. • 鋼: 0.0218wt%~2.11wt%碳 • 鑄鐵: >2.11wt%碳.
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銅合金 超合金 貴金屬 耐火金屬
( 拉伸前
( 拉伸后
• 兩個指標的數值越大，材料 的塑性越好。
• 塑性好：易進行壓力加工﹔ 不易突然斷裂，可靠形好。
金屬的硬度
硬度即指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或划痕的能力，它是各種 零件和工具必須具備的性能指標之一，也是熱處理主要的質量檢驗標準。
檢測方法:就是用一定幾何形狀的壓頭，在一定載荷下，壓入被測金屬材料表面， 根據被壓入程度來測定其硬度值。
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洛氏硬度(HR)三種符號測試條件區分
HRA
壓頭 頂角為1200的金剛石圓錐壓頭
F0+F1 588N
HRB 直徑為1.588mm的淬火鋼球壓頭 980N
HRC 頂角為1200的金剛石圓錐壓頭 1470N
硬度測定原理-2
測試原理：將一個相對面 夾角為1360的正四棱體金 剛石壓頭壓入試樣表面， 經規定保持時間后，卸除 載荷，測量壓痕兩對角線 長度，借以計算壓痕表面 積。用載荷除以壓痕表面 積所得為維氏硬度值。
金属材料基础知识
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內容
一. 金屬的基本結構 二. 金屬的機械性能 三. 金屬的相圖及組織 四. 金屬的熱處理 五. 金屬的實驗分析 六. 常用金屬簡介
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第一部分
金屬的基本結構
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金屬與金屬鍵
輕金屬
鋁合金 鎂合金 鈦合金
第二部分 金屬的機械性能
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金屬的強度
金屬材料在各種外力作用下所表現出來的性能稱為机械性能。 金屬的機械性能主要包括:強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強 度等。
強度: 強度是金屬材料在靜載荷作用下，抵抗變形和破斷的 能力。
A.彈性极限: 材料在外力作用下只產生彈性變形時所能承受 的最大應力稱為彈性极限，符號σe。
洛氏硬度 維氏硬度
壓痕小
操作迅速，簡便，壓 痕小，不損傷工件表 面，硬度值測量范圍 較大。
壓痕清晰
精確可靠，能更好的 測量極薄零件的硬度
鋼鐵，非鐵 金屬，硬質 合金
軟硬金屬， 極薄零件和 滲炭層，滲 氮層的硬度 測定
壓痕小，准確性沒有 布氏硬度高，測量不 同部位點去平均值。